Физические основы медицинских приборов

Оптику обычно делят на три части. Двумя из них являются волновая и квантовая оптика. Это деление основано на дуалистической природе света, который имеет свойства как волн, так и частиц. Третья часть называется геометрической оптикой, в которой пренебрегают волновыми свойствами света и считают, что он распространяется вдоль прямых линий в виде лучей.   Луч - это направление, вдоль которого распространяется световая энергия. Световые лучи изображаются на диаграммах прямыми линиями.

Законы геометрической оптики

Закон отражения. Световые лучи отражаются от зеркал, сильнополированных металлов и т.п.  (Рис. 1). Закон отражения указывает, что падающий луч, отраженный луч и нормаль к зеркалу, опущенная в точку падения луча, лежат в одной плоскости; угол падения равен углу отражения.

Рис. 1. Закон отражения

Закон преломления. Когда световые лучи переходят из одной среды  в другую (например, из воздуха в стекло), часть световой энергии отражается от плоскости, что находится в соответствии с законом отражения. Другая часть света проходит в другую среду вдоль нового направления (Рис. 2).

Рис. 2. Преломление на поверхности плоскости

Из-за изменения направления говорят, что свет преломляется.  Закон преломления указывает, что луч падающий, преломлённый луч и нормаль к точке падения луча лежат в одной плоскости; для двух данных сред (1 и 2) отношение угла падения к углу преломления - есть величина постоянная: sin i / sin r = const , где i - угол падения и r - угол преломления. Эта постоянная величина известна как относительный показатель преломления для двух данных сред n₂₁. Свет преломляется, поскольку в разных средах он распростаняется с различными скоростями. Величину относительного показателя преломления n₂₁ определяют также по формуле: n₂₁ = v₂/v₁, где  v₁ и v₂ - скорости света в средах 1 и 2.   Абсолютный показатель преломления среды - отношение скоростей света в вакууме C и данной среде v : n = C/v. Среду, имеющую большую величину абсолютного показателя преломления по сравнению с другой, называют оптически более плотной.

Полное внутреннее отражение. Предельный угол.

Полное внутреннее отражение происходит в случае перехода света из оптически более плотной среды в оптичеси менее плотную среду, то есть при  n₁ > n₂ (например, из стекла в воздух).   Если луч AO падает на границу стекло-воздух под небольшим углом, часть света отражается вдоль ОE, тогда как другая часть - преломляется вдоль OL (Рис. 3). Причём угол преломления в этом случае больше угла падения. При увеличении угла падения происходит одновременное нарастание и угла преломления. При некотором значении угла падения на преломленный луч OL начнёт скользить вдоль границы стекло-воздух, при этом углом преломления составляет 90⁰. Такой угол падения называется предельным углом. Если угол падения становится немного больше критического, преломленный возвращается в среду, откуда на границу раздела поступает падающий луч. Поскольку вся энергия света в таком случае отражается, говорят, что произошло полное внутреннее отражение.

 

Рис. 3. Полное внутреннее отражение